刻槽填充弹性铺装路面破冰及抗滑性能评价

常晓娟

（陕西省高速公路工程咨询有限公司，陕西 西安 710064）

1 引言

在寒冷的冬季，许多高速公路和城市道路经常受到雨雪和冰冻天气的影响，当降雪量较大或环境温度持续降低时，路面可能长时间被冰雪层覆盖，导致路面抗滑能力严重不足。研究数据表明，冰冻路段的交通事故率是正常气候条件下的两倍，伤亡率高达70%，特别是在隧道出入口、长陡坡和弯道等特殊路段，事故率更高[1，2]。冰雪环境下的路面防滑问题已经成为制约安全道路建设的关键问题。

传统的路面被动除冰方法包括人工和机械除冰或喷洒融雪剂，但这些方法费时费力，而且氯化物等除冰剂会污染环境，腐蚀道路附属设施[3，4]。因此，国内外学者开始研究改变传统路面的材料组成或结构，使路面自身主动实现冰雪融化而不借助外部作用的主动除冰雪技术[5]。主动除冰雪技术由于自身的材料属性或结构特性能够融雪除冰，不需要再进行人工机械除冰或撒布融雪剂等传统除冰雪工序，能够在一定程度上节省养护费用，减少环境污染。20世纪90年代，日本学者Kiyoshi Takeichi 首次提出了刻槽填充弹性铺装路面的概念，研究发现在路面刻槽内部填充一种弹性材料，路面结构的破冰效果优于传统的粗糙表面，并且抗滑性能也更为优异[6，7]。吉野敏弘等[8]以橡胶颗粒与聚氨酯树脂的混合物制备出弹性填充材料，刻槽参数为9mm×10mm×60mm的矩形刻槽，以路面残存率为评价指标，利用路面破冰试验机对刻槽填充弹性路面的破冰性能进行评价。Yao T等[9]考虑力学性能、界面粘结性能以及施工和易性确定了弹性填充材料的最佳配合比。但目前仍缺乏针对弹性填充材料的填筑高度对刻槽填充弹性路面破冰性能影响的相关研究，以及刻槽填充路面在不同环境下的抗滑性能研究。

基于此，本文首先介绍刻槽填充弹性铺装路面的基本结构，通过理论分析阐述了刻槽填充弹性铺装路面的破冰机理。然后通过室内破冰试验，研究弹性填充材料的填筑高度和冰层厚度影响下的刻槽填充弹性铺装路面的破冰性能。最后考虑干燥、潮湿、结冰三种表面环境，通过摆式摩擦系数测定仪，验证刻槽填充弹性铺装路面的抗滑性能，研究结果可为刻槽填充弹性铺装路面的施工及推广应用提供参考。

2 刻槽填充弹性路面的破冰机理

如图1所示，刻槽填充弹性铺装路面是指在沥青路面表面上进行刻槽，然后在刻槽内部填充一种高粘、耐久的弹性填充材料。由于这种填充材料的模量与沥青路面相差较大，在车辆荷载的作用下，路面材料和填充材料的模量差异导致两者交界处的冰层出现应力集中，产生的自应力将远远大于正常路面结构下冰层的内应力。当应力值大于冰层的强度时，冰层将自动断裂破碎，此时路面刻槽及附近的沥青混合料表面纹理露出，可以起到一定的防滑效果。在轮胎的垂直压应力和横向剪应力作用下，位于刻槽间的沥青混合料上部的冰层会逐渐被轮胎磨损，从而达到整体路面冰层被破坏、原路面暴露的效果。

图1 刻槽填充弹性铺装路面基本构造

3 试验方案设计

3.1 刻槽填充弹性路面试件制备

选择宽度为10 mm、深度为10 mm、间距为50 mm的矩形刻槽，弹性填充材料由聚氨酯和橡胶颗粒按一定比例制成[9]。在实验室中成型30 cm×30 cm×5 cm 的AC-13 沥青混合料试件板，用刻槽机对试件板进行开槽，并清洗刻槽中的灰尘，清洗结束后将其放置在通风处干燥。为了防止路面被弹性填充材料污染，沿刻槽边缘处张贴胶带，然后将制备好的填充材料填入胶管中，设置电动电枪的填充速度为0.5 m/min～1 m/min，沿刻槽边缘缓慢而均匀地填充。在填充结束后的刻槽表面铺上无纺布，用外径为30 mm的钢管手动压实。压实完成后，撕下无纺布条和胶带，将试件板放置室温下固化24h。

3.2 刻槽填充弹性路面的破冰性能

采用自主研发的路面破冰模拟试验仪，设备如图2所示。整个系统主要由轮碾系统和制冷系统组成[10，11]。制冷系统可以自动准确地控制设备内的温度，轮碾系统可以模拟车轮动载反复作用下路面的受力情况。碾压轮采用光面橡胶轮，与路面的相互作用方式是纯滚动。试验仪器的主要参数为：橡胶轮宽度为50 mm；橡胶轮接地压力为0.7 MPa；行走次数42次/min；温度控制范围0℃～-5℃，温控精度为±0.5℃；试样尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。

图2 路面破冰模拟试验仪

将试件板在冰箱中冷冻相应的冰层厚度，开启破冰机电源，将试验温度设定为-5 ℃。当温度恒定后，将冷冻试样放在试验平台上保温30 min，使试件板的温度与设备中设定的环境温度一致。启动轮碾系统开始破冰试验，随时观察试件板的冰面破损情况，根据不同的碾压次数对试件进行拍照。

通过破冰试验探讨三种填筑高度对刻槽填充弹性铺装路面破冰性能的影响。填充材料填筑高度分别为高于刻槽表面、与刻槽表面平齐和低于刻槽表面（分别称为上凸试件、平齐试件、下凹试件），如图3所示。在-5℃的试验温度下，改变冰层厚度（1 mm、2 mm、3 mm、4 mm），研究不同冰层厚度对刻槽填充弹性铺装路面破冰性能的影响。

图3 不同填筑高度的刻槽填充路面试件板

3.3 刻槽填充弹性路面的抗滑性能

为了验证不同环境下刻槽填充弹性铺装路面的抗滑性能，分别设置干燥、潮湿和结冰三种条件，对刻槽填充弹性铺装路面进行摆式摩擦系数测试，并对普通沥青路面、刻槽路面（无填充材料）和刻槽填充弹性铺装路面的抗滑性能进行对比分析。

4 结果与讨论

4.1 破冰试验测试结果

图4 为填充材料与刻槽表面平齐的刻槽填充路面的破冰效果二值图像。不同填筑高度和不同冰层厚度试件板破冰率结果见表1。平齐试件和下凹试件在1mm 厚度的冰层时均具有较好的破冰效果，破冰率均能到达60%以上。随着冰层厚度增加，填充材料平齐试件的破碎率要明显高于下凹试件，这是因为下凹试件在填充材料表面的冰层厚度高于实际冰层厚度，较厚的冰层其强度也相对较高，从而相对更难破碎。同理，上凸试件在车轮荷载作用下破冰率较小，这是因为当填充材料覆盖1mm 厚的冰层时，实际路表冰层厚度已超过1mm，路表冰层整体性较好，车轮的荷载难以破坏其结构。刻槽沥青路面（未填充弹性材料）的破冰效果最差。这是因为当路面表面覆盖1mm 厚度冰层时，刻槽内部的冰层和路表冰层锚固在路面表面，即使在荷载作用下路表冰层也难以破碎。由此得出四种不同试件的破冰效果排序为：平齐试件＞下凹试件＞上凸试件＞刻槽沥青路面（未填充弹性材料）。

表1 破冰率计算结果

图4 路面冰层破碎二值图像

4.2 抗滑性能测试结果

图5 为普通AC-13 沥青路面、刻槽沥青路面（未填充）、刻槽填充弹性铺装路面分别在干燥、潮湿和结冰条件下的BPN 测试结果。由图5 可知，在干燥状态下，三种路面类型BPN变化不大，刻槽填充路面略有上升；在潮湿状态下，AC-13路面抗滑性能有所衰减，刻槽沥青路面和刻槽填充路面抗滑性能相对衰减较小；在结冰状态下，AC-13 和刻槽沥青路面的抗滑性能衰减较大，而刻槽填充路面的抗滑性能只是略有衰减，表明刻槽填充路面在道路结冰时仍具有较好的抗滑性能。这主要是因为刻槽填充路面能够在刻槽处提供与沥青路面较大的力学反差，在车轮碾压下，冰层局部区域产生一定的受力不均衡，导致冰层更易破碎，从而使得路面的抗滑性能不会有很大的衰减。相较于普通AC-13沥青混合料，刻槽填充路面的抗滑性能在干燥、潮湿、结冰条件下分别提升了4.5%、10.8%、24.6%。在冰雪环境下刻槽填充路面的抗滑性能具有明显优势。

图5 三种环境下的刻槽填充路面BPN测试结果

5 结语

①刻槽填充弹性铺装路面依靠填充材料与沥青路面的模量差异，使两者交界处的冰层出现应力集中，从而在自应力作用下达到破冰效果。

②填充材料与路面表面平齐的刻槽填充弹性路面的破冰效果最优，冰层厚度越大破冰率越小，但在冰层厚度为3mm时，破冰率仍可达到40.5%。

③三种环境下的路面抗滑性能测试排序均为：刻槽填充路面>刻槽沥青路面（未填充）>AC-13 沥青路面。与AC-13 沥青路面对比分析，刻槽填充路面的抗滑性能在干燥、潮湿、结冰条件下分别提升了4.5%、10.8%、24.6%。